Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВЛРЇЯНИИ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКРІХ И ТЕРМОКИНЕТРГЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ФОРМРЇРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ЛИТЫХ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ 9
1.1 Анализ эффективности современных способов повышения свойств углеродистых и низколегированных сталей 9
1.2 Дендритная кристаллизация и микроликвация компонентов стали 11
1.3 Особенности диффузии углерода в многокомпонентных сталях с микрохимической неоднородностью 26
ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАЬШЯ... 36
ГЛАВА 2. МАТЕРР1АЛЫ, ОБОРУДОВАНА И МЕТОДЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНРІЙ 37
2.1 Общая методика работы 37
2.2 Проведение опытных и производственных плавок 40
2.3 Металлографические исследования 44
2.4 Рентгеноспектральный микроанализ химической неоднородности стали 45
2.5 Анализ корреляционной взаимосвязи состав-свойства в производственных плавках стали 45ФЛ 48
2.6 Усталостные испытания деталей ходовой системы трактора 49
2.7 Исследование прокаливаемости стали 45ФЛ 51
2.8 Исследование обрабатываемости резанием стали 45ФЛ 54
2.9 Исследование литейных свойств стали 45ФЛ 57
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕНДРИТНОЙ ЛРІКВАЦИИ И ТЕОРЕТРГЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОПТИМИЗАЦРШ СОСТАВА, СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ IK ь
3.1 Анализ влияния микрохимической неоднородности на структуру и свойства углеродистых сталей 61
3.2 Исследование характера дендритной ликвации компонентов в углеродистых сталях 66
3.3 Количественные измерения величины дендритной ликвации примесных элементов состава углеродистых сталей 69
3.4 Анализ результатов измерения параметров микроликвации компонентов в углеродистых сталях 73
3.5 Кремниевый эквивалент химического состава -термодинамический критерий количественной оценки структурной неоднородности стали 77
3.6 Теоретические предпосылки оптимизации состава, структуры
и свойств углеродистых сталей 80
ГЛАВА 4. ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТАЛИ 45ФЛ С КРЕМНИЕВЫМ ЭКВИВАЛЕНТОМ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА [Csilc 84
4.1 Исследование влияния изменения концентрации одного из элементов химического состава на механические свойства стали 45ФЛ 84
4.2 Анализ технологических возможностей и рациональных пределов регулирования кремниевого эквивалента стали 45ФЛ в производственных условиях
4.3 Промышленное опробование эффективности повышения механических свойств при минимизации кремниевого эквивалента химического состава стали 45ФЛ "-
4.4 Влияние микрохимической и структурной неоднородности стали 45ФЛ на ее хладноломкость 97
4.5 Исследование усталостной прочности отливок из стали 45ФЛ с различными значениями кремниевого эквивалента химического состава 103
ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ КРЕМНИЕВОГО ЭКВИВАЛЕНТА ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ 45ФЛ 108
5.1 Исследование литейных свойств стали 45 ФЛ с пониженным
содержанием марганца 109
5.1.1 Исследование газонасыщенности стали 45ФЛ 109
5.1.2. Исследование жидкотекучести стали 45ФЛ 112
5.1.3 Исследование трещиноустойчивости и линейной усадки стали 45ФЛ 114
5.2 Исследование обрабатываемости резанием стали 45ФЛ 117
5.3 Исследование прокаливаемости стали 45ФЛ в зависимости от химического состава 123
5.4 Испытания на износостойкость закаленной стали 45ФЛ 128
ГЛАВА 6. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВНЕДРЕНИЯ В ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ 45ФЛ С ПОНИЖЕННЫМ КРЕМНИЕВЫМ ЭКВИВАЛЕНТОМ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА [Csi]c 13°
6.1 Обсуждение результатов исследования 130
6.2 Промышленное внедрение стали 45ФЛ с пониженным кремниевым эквивалентом химического состава [Csi]c и гомогенной микроструктурой 135
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 140
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ї42
ПРИЛОЖЕНИЕ. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ 1
Введение к работе
Повышение надежности и долговечности машиностроительной продукции при одновременном снижении затрат является одним из основных законов рыночных отношений, фундаментом конкурентоспособности производства.
Интенсивное развитие Российской промышленности на протяжении десятилетий привело к тому, что материалоемкость многих видов отечественной продукции превышает показатели развитых капиталистических стран в 2,0-2,5 раза. Так, например, в США себестоимость плавки стали снижается в среднем на 4-6 % ежегодно [1], а расход марганецсодержащих ферросплавов при выплавке в два раза меньше, чем в промышленности России [2].
Необходимость повышения качества материалов и рационального использования ресурсов в условиях перехода к рыночным отношениям, кроме фактора повышения рентабельности машиностроения, вызвана также объективными трудностями в обеспечении металлургии и литейного производства материалами и сырьем [3-5].
Традиционные направления улучшения качества машиностроительных материалов для массового производства во многом исчерпали себя. Широко распространенные в тракторостроении литейные стали типа 35Л, 30СГЛ, 40Л, 45Л, 45ФЛ, 45ХЛ используются в термоупрочненном состоянии для изготовления деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и интенсивного износа. В условиях эксплуатации детали, изготовленные из указанных марок сталей, характеризуются частыми поломками в результате несоответствия значений пластических характеристик и ударной вязкости требованиям нормативно-технической документации. Оптимизация режимов термообработки не всегда приводит к улучшению механических и технологических характеристик стальных отливок [6].
В тоже время дополнительным ресурсом улучшения качественных характеристик литых сталей является управление процессом первичной кри -6 сталлизации, обеспечивающее формирование в отливках однородной первичной и вторичной структуры.
В диссертации представлены новые экспериментальные данные о формировании дендритной химической неоднородности и влиянии этого процесса на вторичную структуру и механические свойства углеродистых и низколегированных сталей. Предложены эффективные пути повышения механических и технологических свойств сталей при одновременном снижении производственных затрат.
Научную новизну работы составляют следующие положения.
1. Разработан новый принцип корректировки состава, структуры и свойств среднеуглеродистых сталей, обеспечивающий при снижении концентрации легирующих и примесных элементов в соответствии с закономерностями микроликвации повышение механических свойств.
2. Установлено, что атомный механизм электронного взаимодействия компонентов неизбежно формирует в сталях дебаланс активности, вытесняющий из дендритов в междуветвия главный упрочняющий элемент - углерод.
3. Теоретически обоснован и опробован принцип минимизации дебаланса термодинамической активности углерода в микроликвационных зонах, стабильно обеспечивающий гомогенную структуру стали, повышенную ударную вязкость и пластичность.
4. Для литой среднеуглеродистой стали разработан новый критерий фундаментальной связи между составом, структурой и свойствами, определяющий величину дебаланса термодинамической активности углерода в микроликвационных зонах - кремниевый эквивалент [CS;]c.
Практическую ценность результатов работы представляют реализованные в промышленности технологические решения по снижению дебаланса термодинамической активности углерода в микроликвационных зонах, обеспечивающие формирование однородной перлитно-ферритной структуры и стабильное повышение механических свойств отливок из стали 45ФЛ.
Гомогенизация микроструктуры стали 45 ФЛ привела к повышению уровня механических свойств и исключению случаев несоответствия значений пластических свойств (у, 5) и ударной вязкости (KCU) требованиям ГОСТ 977-88. Показатели относительного сужения возросли с 21,2...26,7 %, относительное удлинение с 11,3... 14,7 %, значения ударной вязкости повы-сились с 27... 36 Дж/см .
Технологический процесс выплавки стали 45ФЛ с пониженным кремниевым эквивалентом химического состава внедрен на Волгоградском тракторном заводе.
Экономия марганецсодержащих ферросплавов составила 4,7 кг на тонну жидкой стали.
Внедрен неразрушающий экспресс-метод контроля механических свойств стали 45ФЛ по расчетным значениям кремниевого эквивалента химического состава. Трудоемкость контроля механических свойств снижена в 7 раз.
Выплавка стали 45ФЛ с пониженным кремниевым эквивалентом химического состава позволила исключить случаи трудной обрабатываемости отливок в механических цехах и снизить расход режущего инструмента.
Общий экономический эффект от внедрения стали 45ФЛ за счет экономии от снижения расхода ферросплавов, режущего инструмента и объемов контроля механических свойств составил 9,84 млн. рублей (Цены 2005 г.), согласованная доля автора 70 %.
Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, библиографии, включающей 191 источник, и приложений. Общий объем работы без приложений - 157 страниц, включая 40 рисунков и 16 таблиц. В приложении представлены акты внедрения.
В первой главе выполнен анализ научных и практических проблем при изучении дендритной кристаллизации сталей и сплавов, микроликвации химических элементов в них, а также перераспределения углерода по градиенту химического потенциала. Сформулированы цели работы и задачи исследования.
Во второй главе описаны методики, материалы и оборудование, применявшиеся при проведении работы.
В третьей главе на основании углубленных исследований дендритной ликвации химических элементов разработана новая количественная характеристика литых сталей - кремниевый эквивалент химического состава [Csi]c ,
-8-выражающая термодинамическую закономерность формирования в литых среднеуглеродистых сталях гетерогенных структур.
В четвертой главе приведены комплексные исследования механических свойств стали 45ФЛ при изменении величины кремниевого эквивалента химического состава [Csi]c- Подтверждена теоретическая концепция работы, требующая минимизации кремниевого эквивалента для обеспечения эксплуатационной надежности отливок из стали 45ФЛ.
В пятой главе анализируются результаты компромиссных технических решений и ограничений, налагаемых на основную научную концепцию о минимизации кремниевого эквивалента стали регламентом технологических процессов выплавки, термической и механической обработки.
В шестой главе обобщены данные теоретических и экспериментальных исследований и приведены результаты их практического внедрения в производство.
По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 7 статей в центральных рецензируемых журналах.
Основные результаты работы доложены и обсуждены на всесоюзных и российских научно-технических конференциях: г. Волгоград, 1983; г. Одесса, 1983; г. Чебоксары, 1984; г. Пенза, 1986; г. Волгоград, 1995 г.
